印铁机前规定位铁皮运动仿真分析

郭年琴，刘大明

(江西理工大学机械工程学院，江西赣州 341000)

定位机构是印铁机中的关键机构，铁皮在进入印刷单元之前必须处于一个正确的位置方能保证图案的准确印刷和色彩的精准套印.前规和侧规负责对铁皮的前后和左右方向进行定位，其中前规的定位要求高，定位难度大，控制复杂，是定位的核心所在［1］.

近年来，金属印涂产品的使用量和需求量日益增加，印铁行业也呈现出蓬勃发展的趋势，高质量的产品对印铁设备的性能要求也逐渐提高.计算机技术的迅速发展，仿真软件和虚拟样机的广泛使用，推动了前规分析和设计的进步与突破.

行业内专业人士对前规的性能分析研究做了大量的工作.黄岩等［2］运用C语言和Matlab对胶印机前规和递纸进行了优化设计，讨论了不同形式的前规和递纸机构的布局对定位精度的影响，找出了影响递纸质量和定位精度的关键因素.蔡吉飞等［3］对下摆式的运动特性进行分析，并在此基础上优化设计，讨论了有挡纸时和无挡纸时使用的场合以及优缺点.王晓华［4］运用VB和Solidworks对前规进行了参数化设计，通过二次开发，使得前规的三维设计更加人性化与简易化，方便参数的更新和尺寸的关联.C.D.Cullen［5］将真空分离和运送技术运用到胶印机运送机构中，实现了纸张准确平稳地到达侧规处定位，提高运送效率和定位精度.然而上述研究都只限于对前规单方面的分析，没有将承印物运动分析结合起来，因而不能全面准确地反应前规定位过程的真实情况，有较大的局限性.因此文中将对印铁机前规定位铁皮的运动学进行分析.

1 前规定位铁皮的建模

由于文章重点是分析前规对铁皮定位过程的运动分析和接触瞬间接触力分析，故而在前规的建模过程中，只选取前规的挡舌部分.以某型号轮转式印铁机为研究对象，采用5个挡舌来等效印铁机上的前规及其咬牙机构.铁皮的规格为1 100 mm×960 mm，厚度为0.2 mm铁皮的输送台简化成5根圆形的柱子.由于Solidworks建模简单，界面操作方便等特点，建模后可直接在motion模块里约束定义，所以在Solidworks里面对上述简化机构进行建模得到前规定位铁皮机构的三维模型如图1所示.

图1 前规定位铁皮三维模型

铁皮的三维模型建好后就可以在Solideworks Motion里面进行运动学仿真分析.

2 Solidworks Motion运动仿真

Solidworks Motion是Solidworks里面专门用来处理机构分析的模块，它以菜单的形式添加到Solidworks中，并与其形成了无缝集成.Solidworks里面的零件三维造型、装配关系在Motion里面可以自动转化成仿真模型的连接关系，因而三维动力学仿真功能强大［6-7］.

利用Solidworks Motion进行运动学和动力学仿真的求解过程:①物理建模，利用Solidworks的三维建模功能实现对实体的模型构建，完成对实体的尺寸和构型的复映;②数学分析，通过调用专用的求解器生成数学方程，为求解作准备;③ 问题求解，通过迭代的方式求出方程的解［8-9］.

3 前规定位铁皮的运动仿真分析

3.1 前规定位原理

规矩是印铁机定位的主要部件，分为前规和侧规，铁皮前进方向定位主要由前规负责，铁皮左右运动的方向定位主要由侧规负责;通常情况下，定位在前的是前规，在后的是侧规，铁皮在运动过程中，先通过前规定位获得精确的方向后，再通过侧规定位;同时，前规挡板离开输铁台，压印滚筒的叼牙达到铁皮位置，咬住铁皮准备开始印刷.

前规的运动为复合运动，一方面做往复摆动，另一方面做匀速圆周运动.摆动运动是由凸轮驱动，实现间歇运动规律，其运动轨迹由凸轮的轮廓决定;匀速圆周运动随压印滚筒一起，因为前规是安装在压印滚筒的空档处的咬牙轴上，所以在摆动的同时会随压印滚筒一起做匀速圆周运动.

前规的往复摆动可分为3个过程:上摆对铁皮定位;短暂的停顿等待对铁皮定位;下摆让铁皮［10］.前规的挡舌上安装有咬牙，在定位的同时会将铁皮咬住，但咬牙力比较小，为后续印刷作准备.

3.2 不同前规运动规律仿真分析

3.2.1 二次式运动规律

以某轮转式印铁机为研究对象，铁皮在输铁台上的运动为先匀速，然后短暂停顿，之后再加速，然后减速到达前规处.初选的铁皮运动规律将用直线和二次曲线来模拟上述运动过程.给定的铁皮运动特性曲线如图2所示.

从图2中可以看出，铁皮的整个运行时间为3.0 s，在1.5 s的时候与前规接触，加速度在这一时刻由于碰撞产生了一个突变的峰值.位移和速度在此时刻的后续时刻没能立刻减为0，主要是因仿真过程没有考虑摩擦，导致铁皮在接触前规后，产生了轻微的反弹.由此可见给定的铁皮运动规律并不是最优的，有待于进一步优化和改进.

分析在给定铁皮运动规律的条件下，前规运动规律为二次式曲线时的运动仿真，其运动特性和接触力曲线如图3所示.

图2 给定铁皮运动特性曲线

图3 二次式前规运动特性与接触力曲线

从图3中可以看出，前规的往复摆动范围为40°，与理论值相吻合，前规的速度曲线较缓和，但是角速度在t=2.4 s时达到最大值，t=0.6 s时达到最小值.加速度在1.2 s时出现跃变的峰值，这主要是由于运动规律在这一时刻的突然改变所致.接触力在1.5 s撞击时处于峰值状态，且曲线比较陡峭，但是有缓和的迹象.

3.2.2 1/4余弦运动规律

当前规采用1/4余弦运动规律进行仿真时，其运动特性曲线如图4所示.

图4 1/4余弦前规运动特性与接触力曲线

从图4中可知，1/4余弦的前规运动规律速度和加速度曲线都比较平滑，无跃变现象发生，但是接触力曲线峰值很大，且没有缓和的迹象.说明此种情况下接触时间短，接触撞击剧烈.

3.2.3 半余弦运动规律

半余弦前规的运动规律曲线如图5所示.

图5 半余弦前规运动特性和接触力曲线

半余弦的前规运动规律速度曲线非常平缓，较前面2种情况有很大的改善，只是加速度在1.2 s时运动规律发生改变时有突变的现象，但是总体过渡还是比较缓和.对前规运动规律的选择有一定的参考意义.

3.2.4 3-4-5次多项式运动规律

3-4 -5 次多项式前规运动规律的曲线如图6所示.

图6 3-4-5次多项式前规运动特性和接触力曲线

由图6可知，3-4-5次多项式的前规运动规律速度、加速度曲线较前三者都平缓，无突变和峰值现象.接触力曲线也较缓和，峰值较小，在1.5 s的附近有缓和区域，说明前规对铁皮定位时间长，定位稳定可靠，该运动规律为最佳前规运动规律.

3.3 不同铁皮运动规律仿真分析

在运动过程中采用分段处理方法，通过对铁皮不同的运动特性对比分析，得到最佳结果;分析不同的加速度曲线可知，当铁皮与挡板相遇时，会发生碰撞，但是碰撞时间比较短暂，所以不能反映加速度性能好坏.通过上面的分析可知，在给定铁皮的运动规律条件下，3-4-5次多项式规律的前规运动特性最好，接触力最为平缓，有利于铁皮的印刷.但是，给定的铁皮运动规律并不是最优的，因而有必要分析在最佳的前规运动特性下，不同铁皮运动规律的运动特性及接触力特性.图7-9反映了在最佳前规特性条件下，3种铁皮运动规律的运动特性和接触力曲线.

图7 线性铁皮运动规律下的运动特性和接触力曲线

图8 二次式铁皮运动规律下的运动特性和接触力曲线

图9 3-4-5次多项式运动规律铁皮运动特性和接触力曲线

图7-9以及图2给出了4种典型的铁皮运动规律特性及对应接触力曲线.从图中可知，线性规律的铁皮速度、加速度均出现较大的刚性冲击，运动特性最差，接触力峰值最大.3-4-5次多项式运动规律的铁皮速度、加速度、以及接触力的曲线都比较平缓，过渡无冲击，只在接触瞬间有过短暂的加速度突变.二次式规律的铁皮运动曲线也比较缓和，只是接触力不如3-4-5次多项式平缓.由此可知，3-4-5次多项式的铁皮运动规律为最佳，有利于铁皮的平稳输送和安全定位.故而，在给定前规的运动规律条件下，3-4-5次多项式的铁皮运动规律为最佳.

4 结论

1)通过对8种不同组合的运动规律的分析可知，不同的前规运动规律和不同的铁皮运动规律组合所得的运动曲线和接触力曲线都不一致.由分析可知，当两者都采用3-4-5次多项式运动规律时，所得的运动特性和接触力曲线最佳.

2)通过对接触力曲线的分析和研究可知，铁皮的运动规律是影响接触力的主要因素.在同一种前规运动规律下，不同的铁皮运动规律呈现出来的接触力出现了较大的变化.而不同的前规运动规律与同种铁皮运动规律相组合接触力的变化不大.

References)

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